Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

WiDom: a dominance protocol for wireless medium access

In this paper, we address the problem of sharing a wireless channel among a set of sporadic message streams where a message stream issues transmission requests with real-time deadlines. We propose a collision-free wireless medium access control (MAC) protocol which implements static-priority scheduling, supports a large number of priority levels and is fully distributed. It is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But, unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to receive an incoming bit from the channel while transmitting to the channel. The evaluation of the protocol with real embedded computing platforms is presented to show that the proposed protocol is in fact collision-free and prioritized. We measure the response times of our implementation and show that the response-time analysis developed for the protocol offers an upper bound on the response times.

Implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Consider the problem of scheduling sporadic message transmission requests with deadlines. For wired channels, this has been achieved successfully using the CAN bus. For wireless channels, researchers have recently proposed a similar solution; a collision-free medium access control (MAC) protocol that implements static-priority scheduling. Unfortunately no implementation has been reported, yet. We implement and evaluate it to find that the implementation indeed is collision-free and prioritized. This allows us to develop schedulability analysis for the implementation. We measure the response times of messages in our implementation and find that our new response-time analysis indeed offers an upper bound on the response times. This enables a new class of wireless real-time systems with timeliness guarantees for sporadic messages and it opens-up a new research area: schedulability analysis for wireless networks.

Delay-bounded medium access for unidirectional wireless links

Consider a wireless network where links may be unidirectional, that is, a computer node A can broadcast a message and computer node B will receive this message but if B broadcasts then A will not receive it. Assume that messages have deadlines. We propose a medium access control (MAC) protocol which replicates a message in time with carefully selected pauses between replicas, and in this way it guarantees that for every message at least one replica of that message is transmitted without collision. The protocol ensures this with no knowledge of the network topology and it requires neither synchronized clocks nor carrier sensing capabilities. We believe this result is significant because it is the only MAC protocol that offers an upper bound on the message queuing delay for unidirectional links without relying on synchronized clocks.

Static-priority scheduling over wireless networks with multiple broadcast domains

We propose a wireless medium access control (MAC) protocol that provides static-priority scheduling of messages in a guaranteed collision-free manner. Our protocol supports multiple broadcast domains, resolves the wireless hidden terminal problem and allows for parallel transmissions across a mesh network. Arbitration of messages is achieved without the notion of a master coordinating node, global clock synchronization or out-of-band signaling. The protocol relies on bit-dominance similar to what is used in the CAN bus except that in order to operate on a wireless physical layer, nodes are not required to receive incoming bits while transmitting. The use of bit-dominance efficiently allows for a much larger number of priorities than would be possible using existing wireless solutions. A MAC protocol with these properties enables schedulability analysis of sporadic message streams in wireless multihop networks.

A Random Access Protocol incorporating Multi-Packet Reception, Retransmission Diversity and Successive Interference Cancellation

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

Estudo e análise de soluções de acessos Wimax partilhados em cenários residenciais

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Hybrid wired/wireless PROFIBUS architectures: performance study based on simulation models

The problem of providing a hybrid wired/wireless communications for factory automation systems is still an open issue, notwithstanding the fact that already there are some solutions. This paper describes the role of simulation tools on the validation and performance analysis of two wireless extensions for the PROFIBUS protocol. In one of them, the Intermediate Systems, which connect wired and wireless network segments, operate as repeaters. In the other one the Intermediate Systems operate as bridge. We also describe how the analytical analysis proposed for these kinds of networks can be used for the setting of some network parameters and for the guaranteeing real-time behaviour of the system. Additionally, we also compare the bridge-based solution simulation results with the analytical results.

Repeater vs. Bridge-based hybrid wired/wireless PROFIBUS networks: a comparative performance analysis

In the last years, several solutions have been proposed to extend PROFIBUS in order to support wired and wireless network stations in the same network. In this paper we compare two of those solutions, one in which the interconnection between wired and wireless stations is made by repeaters and another in which the interconnection is made by bridges. The comparison is both qualitative and numerical, based on simulation models of both architectures.

Collision-free prioritized medium access in the presence of hidden nodes without relying on out-of-band signaling

Consider the problem of sharing a wireless channel between a set of computer nodes. Hidden nodes exist and there is no base station. Each computer node hosts a set of sporadic message streams where a message stream releases messages with real-time deadlines. We propose a collision-free wireless medium access control (MAC) protocol which implements staticpriority scheduling. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed. It neither relies on synchronized clocks nor out-of-band signaling; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to receive an incoming bit from the channel while transmitting to the channel. Our protocol has the key feature of not only being prioritized and collision-free but also dealing successfully with hidden nodes. This key feature enables schedulability analysis of sporadic message streams in multihop networks.

Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes: Serviços de Rede

O foco principal no estudo da Internet of Things tem sido a integração de dispositivos digitais com o mundo físico e vice-versa. Os dispositivos inteligentes têm vindo a ganhar uma forte presença na nossa vida diária e cada vez mais, tendem a integrar o sistema de uma casa, automatizando processos comuns como o controlo de temperatura ambiente ou mesmo a percentagem de luminosidade de uma divisão. A visão da IoT contempla um mundo interconectado, recolhendo informações de forma automática e possibilitando a comunicação entre dispositivos. Contudo, as tecnologias existentes para a criação de redes que albergam estes novos dispositivos carecem de padrões bem definidos, dificultando a interoperabilidade entre as diversas soluções existentes. Neste projeto são estudadas e aplicadas as tecnologias mais promissoras aplicáveis ao paradigma Internet of Things, com o objetivo de encontrar um conjunto de protocolos padrão para a implementação de sistemas de automação em casas inteligentes.1 Como objetivo final deste projeto, pretende-se criar uma rede de dispositivos com capacidades sensoriais que tenham a capacidade de comunicar com o mundo externo, permitindo o acesso à rede por qualquer tipo de utilizador. Com isso, espera-se caminhar para mais perto da padronização dos protocolos inerentes à IoT e habilitar interoperabilidade entre as mais diversas soluções. São apresentados e utilizados os protocolos que mais se adaptam ao tema escolhido, tentando simplificar a rede para que esta possa ser incluída em qualquer ambiente doméstico, recorrendo a hardware de custo reduzido. Os protocolos apresentados são o 6LoWPAN, utilizando o protocolo IEEE 802.15.4 como interface de rede juntamente com endereçamento IPv6. É também utilizado o protocolo CoAP na troca de mensagens entre os dispositivos.

Videovigilância, compressão e criptografia

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Inperlys – independente personal location system

O desenvolvimento de sistemas de localização pedestre com recurso a técnicas de dead reckoning tem mostrado ser uma área em expansão no mundo académico e não só. Existem algumas soluções criadas, no entanto, nem todas as soluções serão facilmente implementadas no mercado, quer seja pelo hardware caro, ou pelo sistema em si, que é desenvolvido tendo em conta um cenário em particular. INPERLYS é um sistema que visa apresentar uma solução de localização pedestre, independentemente do cenário, utilizando recursos que poderão ser facilmente usados. Trata-se de um sistema que utiliza uma técnica de dead reckonig para dar a localização do utilizador. Em cenários outdoor, um receptor GPS fornece a posição do utilizador, fornecendo uma posição absoluta ao sistema. Quando não é possível utilizar o GPS, recorre-se a um sensor MEMS e a uma bússola para se obter posições relativas à última posição válida do GPS. Para interligar todos os sensores foi utilizado o protocolo de comunicações sem fios ZigBee™. A escolha recaiu neste protocolo devido a factores como os seus baixos consumos e o seu baixo custo. Assim o sistema torna-se de uso fácil e confortável para o utilizador, ao contrário de sistemas similares desenvolvidos, que utilizam cabos para interligarem os diferentes componentes do sistema. O sensor MEMS do tipo acelerómetro tem a função de ler a aceleração horizontal, ao nível do pé. Esta aceleração será usada por um algoritmo de reconhecimento do padrão das acelerações para se detectar os passos dados. Após a detecção do passo, a aceleração máxima registada nesse passo é fornecida ao coordenador, para se obter o deslocamento efectuado. Foram efectuados alguns testes para se perceber a eficiência do INPERLYS. Os testes decorreram num percurso plano, efectuados a uma velocidade normal e com passadas normais. Verificou-se que, neste momento, o desempenho do sistema poderá ser melhorado, quer seja a nível de gestão das comunicações, quer a nível do reconhecimento do padrão da aceleração horizontal, essencial para se detectar os passos. No entanto o sistema é capaz de fornecer a posição através do GPS, quando é possível a sua utilização, e é capaz de fornecer a orientação do movimento.

Análise e melhoria de processo de pintura e vulcanização na Continental

A indústria automóvel é um dos setores mais exigentes do mercado global, por este motivo empresas como a Continental Mabor S.A, líderes de mercado, necessitam estar na linha da frente no que toca a programas de melhoria contínua e de uma gestão orientada para um crescimento rentável e sustentado. Nesta perspetiva, este estudo de dissertação tem como objetivo encontrar uma solução para a gestão de stock e FiFo (First in First out) de pneus em verde na supracitada empresa, situada em Lousado, Vila Nova de Famalicão. Este projeto de dissertação iniciou-se com uma análise e diagnóstico do processo produtivo do pneu, entre a Construção e a Vulcanização. Nesta análise, foi possível identificar vários problemas, sendo o mais crítico associado à logística interna de transporte do pneu “em curso”, de fabrico entre as fases do mesmo, Construção e Vulcanização. Devido a condicionantes estruturais e de organização, a logística interna de transporte entre estes dois sectores enfrenta estrangulamentos nos fluxos, a falta de espaço para acomodar o material em curso, problemas organizacionais de controlo e monitorização do processo produtivo, dificuldades de regulação do fluxo e localização dos carros de transporte dos pneus em verde. Face aos problemas detetados ao longo do estudo, foram analisadas várias soluções para a resolução ou minimização dos mesmos. Entre as soluções propostas salientam-se: o alargamento do sistema de transporte por tapetes rolantes GTC (Green Tire Conveying) a todos os módulos de construção. Esta solução diminui o fluxo de carros para a área da construção, descongestionando a zona próxima do sistema de carregamento automático GTAL (Green Tire Automatic Loading) na vulcanização. A implementação dum sistema Wi-Fi RFID, que permite identificar e localizar artigos em curso utilizando etiquetas inteligentes numa rede wireless, conseguindo melhorar a programação de produção e o respetivo sequenciamento. Sabendo também que a Continental se encontra numa fase de expansão, designada Projeto Route 17/20, as soluções propostas tomaram em consideração essa nova realidade futura. Assim, foram estudados e propostos novos layouts para esse atual processo. Nestes novos layouts, procurou-se uma reorganização dos processos de fabrico, bem como um redimensionamento dos espaços de parqueamento de carros de pneus verdes adequado aos volumes produtivos. De igual forma, adequou-se os espaços físicos à possível implementação de um sistema de FiFo de pneus em verde na planta fabril, quando concluída a expansão. Este trabalho de dissertação apresenta como vantagens diretas da sua implementação: gerar a menor perturbação no atual método de trabalho seguido na empresa; previsivelmente aumentar a eficiência do processo produtivo; potenciar o crescimento tecnológico programado pela empresa; e oferecer uma boa relação custo/benefício no investimento necessário. Como apreciação final, pode-se concluir que este estudo foi finalizado com sucesso, visto que as soluções propostas foram apreciadas positivamente pela Administração da Continental Mabor S.A. e estão correntemente a ser avaliadas pelo grupo.

A communication support for real-time distributed computer controlled systems

In this paper, we analyse the ability of P-NET [1] fieldbus to cope with the timing requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events should be made available within a maximum bound time. The main objective of this work is to analyse how the network access and queueing delays, imposed by P-NET’s virtual token Medium Access Control (MAC) mechanism, affect the realtime behaviour of the supported DCCS.